EP0985810A1 - Method and device for minimizing thermo-acoustic oscillations in gas turbine combustion chambers - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
- F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means
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- F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators
Definitions
- the invention relates to a method and an apparatus for Minimize thermoacoustic vibrations in Gas turbine combustors.
- thermoacoustic vibrations denotes mutually rocking thermal and acoustic disturbances. High vibration amplitudes can occur, which can lead to undesired effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame. This is particularly true for combustion systems with low acoustic damping. In order to guarantee high performance in terms of pulsations and emissions over a wide operating range, active control of the combustion vibrations may be necessary.
- thermoacoustic vibrations The fluid mechanical stability of a gas turbine burner is vital to the appearance thermoacoustic vibrations.
- the arising in the burner Fluid-mechanical instability waves lead to training of eddies.
- These are also referred to as coherent structures Eddies play an important role in mixing processes between air and fuel.
- the dynamic of the coherent Structures affect combustion and the associated Heat release.
- the vertebrae can therefore become periodic Heat release of the burner flame and thus too Pressure fluctuations.
- Vortex structures rely heavily on the formation of thermoacoustic Instabilities. So there is another possibility Reduction of the tendency of a burner to vibrate in the Stabilization of the flame of the premix burner.
- the amount of fuel that is implemented in large-scale eddies controlled modulation of the fuel flow the premixing of a premix burner.
- every modulated injection is temporal understood varying injection of fuel.
- the modulation can take place according to the invention with any frequency.
- the injection is preferably carried out at a frequency between 0.3 Hz and 5 kHz, with the range from 5 Hz to 200 Hz particularly is preferred.
- the injection takes place independently of the phase from the pressure vibrations in the combustion system.
- Figure 1 shows a premix burner in which the Method according to the invention for minimizing the pressure amplitude thermoacoustic vibrations can be used.
- the Burner has two fuel lines 13, 14, which with Openings 15 are provided through which the gaseous or liquid fuel 16 is mixed with the combustion air 7.
- the exact location of the openings 15 through which the fuel 16 is added to the combustion air 7 is clearer Figure 2 can be seen.
- fuel is injected through the Openings 15 are not constant in time, but modulated. It So the amount of fuel that is generated by the Fuel lines 13, 14 is supplied varies.
- the fuel lines 13, 14 extend from a Calming chamber (not shown), which by a single Fuel line (not shown) is supplied towards the partial body 1, 2.
- the Modulation by opening and closing a fuel valve which increases the amount of fuel that the calming chamber is supplied, and thus the amount of fuel that is transported through the fuel lines 13, 14, can be varied.
- So embodiment is the amount of fuel in the two Fuel lines 13, 14 in the same way (symmetrical) varies.
- the amount supplied by a fuel line 13, 14 Fuel varies with the help of one fuel valve each.
- the burner described above must be technically modified become. This is done either by performing the Fuel lines 13, 14 through the calming chamber, whereby separate supply of fuel to the two lines is made possible, or by attaching one at a time separate calming chamber for each of the fuel lines 13, 14. These separate calming chambers are then separated fueled. In both cases the amount will increase Fuel that through the fuel lines 13, 14 the Premix burner is supplied with the help of one Fuel valve varies.
- the modulation by the Fuel line 13 supplied amount of fuel takes place thus regardless of the modulation by the Fuel line 14 supplied amount of fuel. Between Both modulated fuel flows can therefore be any There is a phase shift. In extreme cases, the Modulation of fuel flows out of phase by 180 ° (antisymmetric), i.e. at maximum injection by a There is minimal injection through the fuel line other fuel line.
- any phase shift ⁇ be used between the two fuel flows.
- the Modulation of fuel flows out of phase by 180 °, i.e. at maximum injection through a fuel line minimal injection through the other fuel line.
- the injection within the scope of the present Invention take place with the pressure fluctuations in a fixed Phase relationship.
- the phase of Pressure vibrations for example, via a microphone in the Combustion chamber determined and this phase information for control the injection used.
- the momentary injection of the fuel is preferred with a signal measured in the combustion system phase locked. Doing so will result in the combustion system Signal measured with the thermoacoustic vibrations is correlated. This signal can be downstream of the burner in the Combustion chamber or arranged upstream of the burner Calming chamber can be measured. It is then preferred Means are provided for the current injection of the fuel control as a function of the measurement signal.
- a pressure signal in the combustion system is advantageous measured that with the thermoacoustic vibrations associated pressure fluctuations. This can be done with a or more in the combustion chamber, the calming chamber or on a wall of one of the chambers arranged microphones happen.
- Another possibility is to measure an optical one Signal that with the heat release fluctuations of the Combustion process is correlated. It will be advantageous measured a chemiluminescence emission, preferably from one the radicals OH or CH.
- An optical signal is provided with a Sensor for visible or infrared radiation added, preferably an optical fiber probe.
- the signal measured in the combustion system is advantageous filtered, phase-shifted and amplified, and the so obtained Signal as input signal for the control of the current Injection of liquid or gaseous fuel used. If necessary, the signal is also added before filtering reinforced.
- the filtering suppresses a disturbing noise signal and preferably consists of a bandpass filter.
- the Phase shift takes into account that usually through the Arrangement of the measuring sensors, by the measuring devices and the Lines even phase shifts occur. Will the relative phase chosen so that there is as large as possible Reduction in pressure amplitudes results in all of these phase-changing effects are implicitly taken into account.
- the value of Phase rotation can, after determining a favorable value, stay fixed. Since the cheapest relative phase is with operating conditions, the relative phase remains advantageously variable and is about a control of Pressure fluctuations tracked so that always a large one Suppression is guaranteed.
- phase-locked modulation of the premix fuel flow takes place as above for phase-independent modulation described by opening and closing one (symmetrical Modulation) or two fuel valves, reducing the amount of Fuel supplied through the fuel lines 13, 14 will be varied. Even with the phase-locked Modulation takes place when two fuel valves are used the variation of that supplied through a fuel line Amount of fuel according to the invention regardless of the Modulation of the supplied through the second fuel line Amount of fuel.
- any one can again Phase shift ⁇ between the two fuel flows available.
- the Modulation uniform in both fuel lines ( ⁇ 0 °).
- the fuel flows are modulated by 180 ° out of phase, for example at maximum A minimum injection through the fuel line 13 Injection through the fuel line 14.
- Fuel valves are used which are based on control signals a rapid change in the amount of fuel injected react (fast fuel valves).
- the amount of fuel injected per unit of time can be in The scope of the present invention varies widely become.
- the invention is carried out a modulation of the amount injected into the premix burner Fuel.
- a modulation of the amount injected into the premix burner Fuel besides the injection of a constant amount of fuel injecting an additional, modulated amount of fuel in the form of a time limited pulse, then then for a specific Time no additional fuel is injected.
- This The procedure is necessary because with a pulse-like variation of the total fuel flow at certain times none at all Fuel would be injected. However, this would lead to weight loss and extinguish the flame of the burner. Therefore it is done at the same time the injection of a constant amount of fuel and the injection of time-limited pulses of an additional one Amount of fuel.
- duty cycle expresses the ratio of t addition to ⁇ in percent. With a duty cycle of 50%, the period of additional fuel injection is therefore the period in which no additional fuel is injected. The addition of a constant amount of fuel, i.e. no additional injection, corresponds to a duty cycle of 100%.
- Fuel is injected into the premix burner According to the invention with a duty cycle of less than 100%. Prefers the range is 1% ⁇ duty cycle ⁇ 50%.
- the injection of Fuel independent of the pressure fluctuations in the fuel Combustion system is in a fixed phase relationship.
- This phase-coupled modulated injection of fuel is explained with the aid of a flow chart (FIG. 3).
- the fuel valve 30, 31 becomes a closed one Control loop used.
- the one measured in the combustion chamber Pressure or luminescence signal becomes noise suppression filtered (reference number 36), phase-shifted (reference number 38), reinforced (reference numeral 40) and for controlling the Fuel valves 30, 31 used.
- the with the help of Fuel valves 30, 31 modulated fuel is in the Burner 32 injected, to which the chamber 34 connects, the here includes the combustion chamber.
- the chambers of the Combustion system calming chamber or combustion chamber
- the measurement of the above-mentioned pressure or luminescence signal instead, which closes the control loop.
- Figure 4 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in an embodiment in which the Combustion system at a frequency of around 100 Hz axially symmetric thermoacoustic vibrations tended.
- Figure 4 are the pressure fluctuations in phase-coupled modulated injection of fuel based on the Pressure fluctuations with a constant injection Amount of fuel (100%) shown. The fuel injection was done using fast fuel valves from MOOG.
- a B&K water-cooled microphone the acoustic resonance of the chamber added.
- the signals were preamplified, bandpass filtered and phase-shifted.
- the phase shift was there varies systematically between 0 ° and 190 °.
- the resulting The signal formed the trigger for a signal generator that the Controlled fuel valves via an amplifier stage.
- Figure 4 shows that the Pressure amplitudes with a suitably selected phase shift of up to 87 percentage points are reduced.
- Figure 5 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in an embodiment in which the Combustion system at a frequency of around 100 Hz axially symmetric thermoacoustic vibrations tended.
- Figure 5 are the pressure fluctuations with phase-coupled modulated injection of fuel based on the Pressure fluctuations with a constant injection Amount of fuel (100%) shown. The fuel injection was done using fast fuel valves from MOOG.
- a B&K water-cooled microphone the acoustic resonance of the chamber added.
- the signals were preamplified, bandpass filtered and phase-shifted.
- the phase shift was there varies systematically between 0 ° and 360 °.
- the resulting The signal formed the trigger for a signal generator that the Controlled fuel valves via an amplifier stage.
- Figure 5 shows that the pressure amplitudes with a suitably chosen relative phase can be reduced by up to 55 percentage points.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Minimieren thermoakustischer Schwingungen in Gasturbinenbrennkammern.The invention relates to a method and an apparatus for Minimize thermoacoustic vibrations in Gas turbine combustors.
Es ist bekannt, daß in Brennkammern von Gasturbinen häufig unerwünschte thermoakustische Schwingungen auftreten. Mit dem Begriff "thermoakustische Schwingungen" werden sich gegenseitig aufschaukelnde thermische und akustische Störungen bezeichnet. Es können dabei hohe Schwingungsamplituden auftreten, die zu unerwünschten Effekten, wie etwa zu einer hohen mechanischen Belastung der Brennkammer, einer erhöhten NOx-Emission durch eine inhomogene Verbrennung und sogar zu einem Erlöschen der Flamme führen können. Dies trifft insbesondere für Verbrennungssysteme mit geringer akustischer Dämpfung zu. Um eine hohe Leistung in Bezug auf Pulsationen und Emissionen über einen weiten Betriebsbereich zu garantieren, kann eine aktive Kontrolle der Verbrennungsschwingungen notwendig sein.It is known that undesired thermoacoustic vibrations often occur in combustion chambers of gas turbines. The term "thermoacoustic vibrations" denotes mutually rocking thermal and acoustic disturbances. High vibration amplitudes can occur, which can lead to undesired effects, such as a high mechanical load on the combustion chamber, an increased NO x emission due to inhomogeneous combustion and even an extinguishing of the flame. This is particularly true for combustion systems with low acoustic damping. In order to guarantee high performance in terms of pulsations and emissions over a wide operating range, active control of the combustion vibrations may be necessary.
Die strömungsmechanische Stabilität eines Gasturbinenbrenners ist von entscheidender Bedeutung für das Auftreten thermoakustischer Schwingungen. Die im Brenner entstehenden strömungsmechanischen Instabilitätswellen führen zur Ausbildung von Wirbeln. Diese auch als kohärente Strukturen bezeichneten Wirbel spielen eine bedeutende Rolle bei Mischungsvorgängen zwischen Luft und Brennstoff. Die Dynamik der kohärenten Strukturen beeinflußt die Verbrennung und die damit verbundene Wärmefreisetzung. Die Wirbel können daher zu einer periodischen Wärmefreisetzung der Flamme des Brenners und damit zu Druckschwankungen führen. Insbesondere wenn über die gesamte Fläche des Brenners keine homogene Vermischung von Brennstoff und Luft gegeben ist, wirkt sich die Entstehung von kohärenten Wirbelstrukturen stark auf die Ausbildung von thermoakustischen Instabilitäten aus. Somit liegt eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Schwingungsneigung eines Brenners in der Stabilisierung der Flamme des Vormischbrenners.The fluid mechanical stability of a gas turbine burner is vital to the appearance thermoacoustic vibrations. The arising in the burner Fluid-mechanical instability waves lead to training of eddies. These are also referred to as coherent structures Eddies play an important role in mixing processes between air and fuel. The dynamic of the coherent Structures affect combustion and the associated Heat release. The vertebrae can therefore become periodic Heat release of the burner flame and thus too Pressure fluctuations. Especially if over the entire Area of the burner no homogeneous mixing of fuel and air is given, the emergence of coherent affects Vortex structures rely heavily on the formation of thermoacoustic Instabilities. So there is another possibility Reduction of the tendency of a burner to vibrate in the Stabilization of the flame of the premix burner.
Hier setzt die Erfindung an. Es soll ein Verfahren zum
Minimieren der Druckamplitude thermoakustischer Schwingungen in
Gasturbinenbrennkammern geschaffen werden. Diese Aufgabe wird
erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Minimierung der
Druckamplitude thermoakustischer Schwingungen in einer
Gasturbine des unabhängigen Patentanspruchs 1, sowie durch die
Vorrichtung gemäß unabhängigen Patentanspruch 13 gelöst. This is where the invention comes in. It is supposed to be a procedure for
Minimize the pressure amplitude of thermoacoustic vibrations in
Gas turbine combustors are created. This task will
according to the invention by the method for minimizing the
Pressure amplitude of thermoacoustic vibrations in one
Gas turbine of
Die Menge an Brennstoff, die in großräumigen Wirbeln umgesetzt wird, kann durch kontrollierte Modulation des Brennstoffstroms der Vormischung eines Vormischbrenners beeinflußt werden. Erfindungsgemäß erfolgt die Eindüsung von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff in den Vormischbrenner moduliert. Unter modulierter Eindüsung wird erfindungsgemäß jede zeitlich variierende Eindüsung von Brennstoff verstanden. Die Modulation kann erfindungsgemäß mit einer beliebigen Frequenz erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Eindüsung mit einer Frequenz zwischen 0.3 Hz und 5 kHz, wobei der Bereich von 5 Hz bis 200 Hz besonders bevorzugt wird. Die Eindüsung erfolgt hierbei phasenunabhängig von den Druckschwingungen in dem Verbrennungssystem.The amount of fuel that is implemented in large-scale eddies controlled modulation of the fuel flow the premixing of a premix burner. According to the invention, liquid or gaseous fuel modulated in the premix burner. Under According to the invention, every modulated injection is temporal understood varying injection of fuel. The modulation can take place according to the invention with any frequency. The injection is preferably carried out at a frequency between 0.3 Hz and 5 kHz, with the range from 5 Hz to 200 Hz particularly is preferred. The injection takes place independently of the phase from the pressure vibrations in the combustion system.
Figur 1 zeigt einen Vormischbrenner, bei dem das
erfindungsgemäße Verfahren zum Minimieren der Druckamplitude
thermoakustischer Schwingungen eingesetzt werden kann. Der
Brenner weist zwei Brennstoffleitungen 13, 14 auf, die mit
Öffnungen 15 versehen sind, durch welche der gasförmige oder
flüssige Brennstoff 16 der Verbrennungsluft 7 zugemischt wird.Figure 1 shows a premix burner in which the
Method according to the invention for minimizing the pressure amplitude
thermoacoustic vibrations can be used. The
Burner has two
Die genaue Lage der Öffnungen 15, durch die der Brennstoff 16
der Verbrennungsluft 7 zugemischt wird, ist deutlicher aus
Figur 2 zu ersehen. Die Brennstoffleitungen 13, 14 sind an den
Teilkörpern 1, 2 angebracht, so daß die Öffnungen 15 entlang
zweier Geraden aufgereiht sind, die parallel und im gleichen
Abstand von der Hauptmittelachse 26 (= Brennerachse) des
Vormischbrenners verlaufen. Sämtliche Öffnungen 15 liegen in
einer Ebene, der Brennstoffinjektionsebene.The exact location of the
Erfindungsgemäß erfolgt die Eindüsung von Brennstoff durch die
Öffnungen 15 nicht zeitlich konstant, sondern moduliert. Es
wird also die Menge an Brennstoff, die durch die
Brennstoffleitungen 13, 14 zugeführt wird, variiert. According to the invention, fuel is injected through the
Die Brennstoffleitungen 13, 14 erstrecken sich aus einer
Beruhigungskammer (nicht gezeigt), welche von einer einzelnen
Brennstoffleitung (nicht gezeigt) versorgt wird, in Richtung
der Teilkörper 1, 2. Gemäß dieser Ausführungsform erfolgt die
Modulation durch Öffnen und Schließen eines Brennstoffventils,
wodurch die Menge an Brennstoff, die der Beruhigungskammer
zugeführt wird, und damit auch die Menge an Brennstoff, die
durch die Brennstoffleitungen 13, 14 transportiert wird,
variiert werden kann. Nach dieser erfindungsgemäßen
Ausführungsform wird also die Menge an Brennstoff in den beiden
Brennstoffleitungen 13, 14 in gleicher Weise (symmetrisch)
variiert.The
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die
durch jeweils eine Brennstoffleitung 13, 14 zugeführte Menge an
Brennstoff mit Hilfe von je einem Brennstoffventil variiert.
Der oben beschriebene Brenner muß dazu technisch abgewandelt
werden. Dies erfolgt entweder durch ein Hindurchführen der
Brennstoffleitungen 13, 14 durch die Beruhigungskammer, wodurch
eine getrennte Versorgung der beiden Leitungen mit Brennstoff
ermöglicht wird, oder durch das Anbringen von jeweils einer
separaten Beruhigungskammer für jede der Brennstoffleitungen
13, 14. Diese separaten Beruhigungskammern werden dann getrennt
mit Brennstoff versorgt. In beiden Fällen wird die Menge an
Brennstoff, die durch die Brennstoffleitungen 13, 14 dem
Vormischbrenner zugeführt wird, mit Hilfe von je einem
Brennstoffventil variiert. Die Modulation der durch die
Brennstoffleitung 13 zugeführten Menge an Brennstoff erfolgt
somit unabhängig von der Modulation der durch die
Brennstoffleitung 14 zugeführten Brennstoffmenge. Zwischen den
beiden modulierten Brennstoffströmen kann also eine beliebige
Phasenverschiebung vorliegen. Im Extremfall erfolgt die
Modulation der Brennstoffströme um 180° phasenverschoben
(antisymmetrisch), d.h. bei maximaler Eindüsung durch eine
Brennstoffleitung erfolgt eine minimale Eindüsung durch die
andere Brennstoffleitung.According to a further embodiment of the invention, the
amount supplied by a
Der oben beschriebene Fall der symmetrischen Modulation kann selbstverständlich auch mit dem abgewandelten Brenner, also mit Hilfe von zwei Brennstoffventilen durchgeführt werden. In diesem Fall entspricht die von dem einen Brennstoffventil durchgelassene Menge an Brennstoff zu jedem Zeitpunkt im wesentlichen der von dem zweiten Brennstoffventil durchgelassenen Menge an Brennstoff.The case of symmetrical modulation described above can of course also with the modified burner, i.e. with Helped by two fuel valves. In this corresponds to that of the one fuel valve permissible amount of fuel at any time in the essentially that of the second fuel valve amount of fuel passed.
Somit kann erfindungsgemäß jede beliebige Phasenverschiebung ϕ zwischen den beiden Brennstoffströmen verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Modulation in beiden Brennstoffleitungen gleichförmig (ϕ = 0°). Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Modulation der Brennstoffströme um 180° phasenverschoben, d.h. bei maximaler Eindüsung durch eine Brennstoffleitung erfolgt eine minimale Eindüsung durch die andere Brennstoffleitung.Thus, according to the invention, any phase shift ϕ be used between the two fuel flows. According to In a preferred embodiment, the modulation takes place in both fuel lines uniform (ϕ = 0 °). According to one another, particularly preferred embodiment, the Modulation of fuel flows out of phase by 180 °, i.e. at maximum injection through a fuel line minimal injection through the other fuel line.
Für den Fall ϕ = 180° wird besonders wirkungsvoll die Axialsymmetrie der Flamme des Vormischbrenners gestört. Bekanntermaßen sind im Fall niederfrequenter thermoakustischer Druckschwingungen hoher Amplitude großräumige axialsymmetrische Wirbelstrukturen für die periodische Wärmefreisetzung verantwortlich. Die Wirkung solcher Strukturen auf die Verbrennung läßt sich am effektivsten beeinflussen, indem die Axialsymmetrie der Flamme gestört wird, was gemäß der vorliegenden Erfindung durch die phasenverschobene Modulation der beiden Vormischbrennstoffströme erreicht wird. Besonders vorteilhafte Effekte ergeben sich für eine Phasenverschiebung von 180°.In the case of ϕ = 180 °, the is particularly effective Axial symmetry of the flame of the premix burner disturbed. As is known, in the case of low-frequency thermoacoustic Large amplitude pressure vibrations large-scale axially symmetrical Vortex structures for periodic heat release responsible. The effect of such structures on the The most effective way to influence combustion is by using the Axial symmetry of the flame is disturbed, which according to the present invention by the phase shift modulation of the two premix fuel flows is reached. Especially advantageous effects result for a phase shift of 180 °.
Alternativ kann die Eindüsung im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform so erfolgen, daß sie mit den Druckschwingungen in einer festen Phasenbeziehung steht. In diesem Fall wird die Phase der Druckschwingungen beispielsweise über ein Mikrophon in der Brennkammer bestimmt und diese Phaseninformation zur Steuerung der Eindüsung verwendet.Alternatively, the injection within the scope of the present Invention according to a particularly preferred embodiment take place with the pressure fluctuations in a fixed Phase relationship. In this case, the phase of Pressure vibrations, for example, via a microphone in the Combustion chamber determined and this phase information for control the injection used.
Bevorzugt wird die momentane Eindüsung des Brennstoffs mit einem in dem Verbrennungssystem gemessenen Signal phasengekoppelt. Dabei wird in dem Verbrennungssystem ein Signal gemessen, das mit den thermoakustischen Schwingungen korreliert ist. Dieses Signal kann stromab des Brenners in der Brennkammer oder einer stromauf des Brenners angeordneten Beruhigungskammer gemessen werden. Es sind dann bevorzugt Mittel vorgesehen, die die momentane Eindüsung des Brennstoffs als Funktion des Meßsignal steuern.The momentary injection of the fuel is preferred with a signal measured in the combustion system phase locked. Doing so will result in the combustion system Signal measured with the thermoacoustic vibrations is correlated. This signal can be downstream of the burner in the Combustion chamber or arranged upstream of the burner Calming chamber can be measured. It is then preferred Means are provided for the current injection of the fuel control as a function of the measurement signal.
Durch die Wahl einer geeigneten, je nach Art des gemessenen Signals verschiedenen Phasendifferenz zwischen Meßsignal und momentaner Eindüsung wirkt die modulierte Eindüsung des Brennstoffs in besonders geeigneter Weise der Ausbildung kohärenter Strukturen entgegen, so daß die Amplitude der Druckpulsation verringert wird.By choosing a suitable one, depending on the type of measured Signals different phase difference between the measurement signal and the modulated injection of the Fuel in a particularly suitable way of training coherent structures, so that the amplitude of the Pressure pulsation is reduced.
Vorteilhaft wird in dem Verbrennungssystem ein Drucksignal gemessen, das die mit den thermoakustischen Schwingungen verbundenen Druckschwankungen anzeigt. Dies kann etwa mit einem oder mehreren in der Brennkammer, der Beruhigungskammer oder an einer Wand einer der Kammern angeordneten Mikrophonen geschehen.A pressure signal in the combustion system is advantageous measured that with the thermoacoustic vibrations associated pressure fluctuations. This can be done with a or more in the combustion chamber, the calming chamber or on a wall of one of the chambers arranged microphones happen.
Eine andere Möglichkeit besteht im Messen eines optischen Signals, das mit den Wärmefreisetzungsschwankungen des Verbrennungsprozesses korreliert ist. Vorteilhaft wird dabei eine Chemolumineszenz-Emission gemessen, bevorzugt von einem der Radikale OH oder CH. Ein optisches Signal wird mit einem Sensor für sichtbare oder infrarote Strahlung aufgenommen, bevorzugt einer optischen Fasersonde.Another possibility is to measure an optical one Signal that with the heat release fluctuations of the Combustion process is correlated. It will be advantageous measured a chemiluminescence emission, preferably from one the radicals OH or CH. An optical signal is provided with a Sensor for visible or infrared radiation added, preferably an optical fiber probe.
Vorteilhaft wird das in dem Verbrennungssystem gemessene Signal gefiltert, phasengedreht und verstärkt, und das so gewonnene Signal als Eingangssignal für die Steuerung der momentanen Eindüsung von flüssigem oder gasförmigen Brennstoff benutzt. Falls notwendig, wird das Signal zusätzlich vor der Filterung verstärkt. Die Filterung unterdrückt ein störendes Rauschsignal und besteht vorzugsweise aus einem Bandpassfilter. Die Phasendrehung berücksichtigt, daß in der Regel durch die Anordnung der Meßsensoren, durch die Meßgeräte und die Leitungen selbst Phasenverschiebungen auftreten. Wird die relative Phase so gewählt, daß sich eine möglichst große Reduzierung der Druckamplituden ergibt, werden alle diese phasendrehenden Effekte implizit berücksichtigt. Der Wert der Phasendrehung kann, nach Bestimmung eines günstigen Wertes, fixiert bleiben. Da sich die günstigste relative Phase aber mit den Betriebsbedingungen ändern kann, bleibt die relative Phase vorteilhaft variabel und wird etwa über eine Kontrolle der Druckschwankungen so nachgeführt, daß stets eine große Unterdrückung gewährleistetet ist.The signal measured in the combustion system is advantageous filtered, phase-shifted and amplified, and the so obtained Signal as input signal for the control of the current Injection of liquid or gaseous fuel used. If necessary, the signal is also added before filtering reinforced. The filtering suppresses a disturbing noise signal and preferably consists of a bandpass filter. The Phase shift takes into account that usually through the Arrangement of the measuring sensors, by the measuring devices and the Lines even phase shifts occur. Will the relative phase chosen so that there is as large as possible Reduction in pressure amplitudes results in all of these phase-changing effects are implicitly taken into account. The value of Phase rotation can, after determining a favorable value, stay fixed. Since the cheapest relative phase is with operating conditions, the relative phase remains advantageously variable and is about a control of Pressure fluctuations tracked so that always a large one Suppression is guaranteed.
Diese phasengekoppelte Modulation des Vormischbrennstoffstroms
erfolgt, wie oben für die phasenunabhängige Modulation
beschrieben, durch Öffnen und Schließen von einem (symmetrische
Modulation) oder zwei Brennstoffventilen, wodurch die Menge an
Brennstoff, die durch die Brennstoffleitungen 13, 14 zugeführt
wird, variiert werden kann. Auch bei der phasengekoppelten
Modulation erfolgt bei Verwendung von zwei Brennstoffventilen
die Variation der durch die eine Brennstoffleitung zugeführten
Menge an Brennstoff erfindungsgemäß unabhängig von der
Modulation der durch die zweite Brennstoffleitung zugeführten
Brennstoffmenge. This phase-locked modulation of the premix fuel flow
takes place as above for phase-independent modulation
described by opening and closing one (symmetrical
Modulation) or two fuel valves, reducing the amount of
Fuel supplied through the
Somit kann erfindungsgemäß wiederum jede beliebige
Phasenverschiebung ϕ zwischen den beiden Brennstoffströmen
vorliegen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die
Modulation in beiden Brennstoffleitungen gleichförmig (ϕ = 0°).
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Modulation der Brennstoffströme um 180°
phasenverschoben, also erfolgt beispielsweise bei maximaler
Eindüsung durch die Brennstoffleitung 13 eine minimale
Eindüsung durch die Brennstoffleitung 14.Thus, according to the invention, any one can again
Phase shift ϕ between the two fuel flows
available. According to a preferred embodiment, the
Modulation uniform in both fuel lines (ϕ = 0 °).
According to a further, particularly preferred embodiment
the fuel flows are modulated by 180 °
out of phase, for example at maximum
A minimum injection through the
Für den Fall ϕ = 180° zeigen sich die oben für die phasenunabhängige Modulation beschriebenen besonders vorteilhaften Effekte.For the case ϕ = 180 °, the above are shown for the phase-independent modulation was particularly described beneficial effects.
Zur Modulation des eingedüsten Brennstoffs werden bevorzugt Brennstoffventile verwendet, die auf Steuerungssignale mit einer schnellen Änderung der Menge an eingedüstem Brennstoff reagieren (schnelle Brennstoffventile).For modulating the injected fuel are preferred Fuel valves are used which are based on control signals a rapid change in the amount of fuel injected react (fast fuel valves).
Die Menge des pro Zeiteinheit eingedüsten Brennstoffs kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung in weiten Bereichen variiert werden. Wie oben bereits beschrieben, erfolgt erfindungsgemäß eine Modulation der in den Vormischbrenner eingedüsten Menge an Brennstoff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt dabei neben der Eindüsung einer konstanten Menge an Brennstoff in den Vormischbrenner die Eindüsung einer zusätzlichen, modulierten Menge an Brennstoff in Form eines zeitlich begrenzten Pulses, wobei dann anschließend für eine bestimmte Zeit kein zusätzlicher Brennstoff eingedüst wird. Dieses Vorgehen ist notwendig, da bei einer pulsartigen Variation des gesamten Brennstoffstroms zu bestimmten Zeiten überhaupt kein Brennstoff eingedüst würde. Dies würde aber zu einem Abmagern und Verlöschen der Flamme des Brenners führen. Daher erfolgt gleichzeitig die Eindüsung einer konstanten Menge an Brennstoff und die Eindüsung zeitlich begrenzter Pulse einer zusätzlichen Menge an Brennstoff.The amount of fuel injected per unit of time can be in The scope of the present invention varies widely become. As already described above, the invention is carried out a modulation of the amount injected into the premix burner Fuel. According to a preferred embodiment besides the injection of a constant amount of fuel injecting an additional, modulated amount of fuel in the form of a time limited pulse, then then for a specific Time no additional fuel is injected. This The procedure is necessary because with a pulse-like variation of the total fuel flow at certain times none at all Fuel would be injected. However, this would lead to weight loss and extinguish the flame of the burner. Therefore it is done at the same time the injection of a constant amount of fuel and the injection of time-limited pulses of an additional one Amount of fuel.
Bezeichnet man den Zeitraum der zusätzlichen
Brennstoffeindüsung mit tZugabe und den Zeitraum ohne
zusätzliche Brennstoffeindüsung mit t0, so ergibt sich die
Periodendauer der Modulation der Brennstoffeindüsung zu
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird mit dem Begriff "duty cycle" das Verhältnis von tZugabe zu τ in Prozent ausgedrückt. Bei einem duty cycle von 50% ist somit der Zeitraum der zusätzlichen Brennstoffeindüsung gleich dem Zeitraum, in dem kein zusätzlicher Brennstoff eingedüst wird. Die Zugabe einer konstanten Menge an Brennstoff, also keiner zusätzlichen Eindüsung, entspricht einem duty cycle von 100%.In the context of the present invention, the term “duty cycle” expresses the ratio of t addition to τ in percent. With a duty cycle of 50%, the period of additional fuel injection is therefore the period in which no additional fuel is injected. The addition of a constant amount of fuel, i.e. no additional injection, corresponds to a duty cycle of 100%.
Die Eindüsung von Brennstoff in den Vormischbrenner erfolgt erfindungsgemäß mit einem duty cycle kleiner 100%. Bevorzugt wird der Bereich 1% ≤ duty cycle ≤ 50%.Fuel is injected into the premix burner According to the invention with a duty cycle of less than 100%. Prefers the range is 1% ≤ duty cycle ≤ 50%.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen
- Fig. 1
- einen Brenner in perspektivischer Darstellung entsprechend aufgeschnitten;
- Fig. 2
- den
Vormischbrenner gemäß Figur 1, jedoch aus einer anderen Perspektive und in vereinfachter Darstellung; - Fig. 3
- ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur phasengekoppelten modulierten Eindüsung von Brennstoff;
- Fig. 4
- eine Auftragung der relativen Druckschwankung bei phasengekoppelter modulierter Eindüsung von Brennstoff (ϕ = 0°) bezogen auf die Druckschwankung bei Eindüsung einer konstanten Brennstoffmenge (100 %) als Funktion der relativen Phase zwischen Meßsignal und momentaner Eindüsung;
- Fig. 5
- eine Auftragung der relativen Druckschwankung bei phasengekoppelter modulierter Eindüsung von Brennstoff (ϕ = 180°) bezogen auf die Druckschwankung bei Eindüsung einer konstanten Brennstoffmenge (100 %) als Funktion der relativen Phase zwischen Meßsignal und momentaner Eindüsung.
- Fig. 1
- a burner correspondingly cut open in perspective;
- Fig. 2
- the premix burner according to Figure 1, but from a different perspective and in a simplified representation;
- Fig. 3
- a flowchart of an embodiment of the method according to the invention for phase-coupled modulated injection of fuel;
- Fig. 4
- a plot of the relative pressure fluctuation with phase-coupled modulated injection of fuel (ϕ = 0 °) based on the pressure fluctuation with injection of a constant amount of fuel (100%) as a function of the relative phase between the measurement signal and the current injection;
- Fig. 5
- plotting the relative pressure fluctuation with phase-coupled modulated injection of fuel (ϕ = 180 °) based on the pressure fluctuation with injection of a constant amount of fuel (100%) as a function of the relative phase between the measurement signal and the current injection.
Gemäß den oben beschriebenen allgemeinsten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erfolgt die Eindüsung des
Brennstoffs phasenunabhängig von den Druckschwingungen in dem
Verbrennungssystem. Alternativ kann die Eindüsung gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform so erfolgen, daß sie mit
den Druckschwingungen in einer festen Phasenbeziehung steht.
Diese phasengekoppelte modulierte Eindüsung von Brennstoff wird
anhand eines Flußdiagramms (Figur 3) erläutert. Zur Ansteuerung
der Brennstoffventile 30, 31 wird eine geschlossene
Kontrollschleife verwendet. Das in der Brennkammer gemessene
Druck- oder Lumineszenzsignal wird zur Rauschunterdrückung
gefiltert (Bezugszeichen 36), phasengedreht (Bezugszeichen 38),
verstärkt (Bezugszeichen 40) und zur Steuerung der
Brennstoffventile 30, 31 verwendet. Der mit Hilfe der
Brennstoffventile 30, 31 modulierte Brennstoff wird in den
Brenner 32 eingedüst, an den sich die Kammer 34 anschließt, die
hier die Brennkammer umfaßt. In einer der Kammern des
Verbrennungssystems (Beruhigungskammer oder Brennkammer) findet
die Messung des oben erwähnten Drück- oder Lumineszenzsignals
statt, wodurch die Kontrollschleife geschlossen wird.According to the most general embodiments described above
the present invention, the injection of
Fuel independent of the pressure fluctuations in the fuel
Combustion system. Alternatively, the injection according to one
particularly preferred embodiment so that they with
the pressure vibrations are in a fixed phase relationship.
This phase-coupled modulated injection of fuel is
explained with the aid of a flow chart (FIG. 3). For control
the
Figur 4 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen in einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Verbrennungssystem bei einer Frequenz von rund 100 Hz zu axialsymmetrischen thermoakustischen Schwingungen neigte. In Figur 4 sind die Druckschwankungen bei phasengekoppelter modulierter Eindüsung von Brennstoff bezogen auf die Druckschwankungen bei Eindüsung einer konstanten Brennstoffmenge (100 %) gezeigt. Die Eindüsung des Brennstoffs erfolgte durch schnelle Brennstoffventile der Firma MOOG.Figure 4 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in an embodiment in which the Combustion system at a frequency of around 100 Hz axially symmetric thermoacoustic vibrations tended. In Figure 4 are the pressure fluctuations in phase-coupled modulated injection of fuel based on the Pressure fluctuations with a constant injection Amount of fuel (100%) shown. The fuel injection was done using fast fuel valves from MOOG.
In dem vorliegenden Beispiel wurden mit einem B&K wassergekühlten Mikrophon die akustischen Resonanzen der Kammer aufgenommen. Die Signale wurden vorverstärkt, bandpassgefiltert und phasengedreht. Die Phasendrehung wurde dabei systematisch zwischen 0° und 190° variiert. Das resultierende Signal bildete den Trigger für einen Signalgenerator, der die Brennstoffventile über eine Verstärkerstufe ansteuerte. Die Modulation der beiden Brennstoffströme erfolgte ohne Phasenverschiebung zueinander (ϕ = 0°) Figur 4 zeigt, daß die Druckamplituden bei geeignet gewählter Phasendrehung um bis zu 87 Prozentpunkte reduziert werden.In the present example, a B&K water-cooled microphone the acoustic resonance of the chamber added. The signals were preamplified, bandpass filtered and phase-shifted. The phase shift was there varies systematically between 0 ° and 190 °. The resulting The signal formed the trigger for a signal generator that the Controlled fuel valves via an amplifier stage. The The two fuel flows were modulated without Phase shift to each other (ϕ = 0 °) Figure 4 shows that the Pressure amplitudes with a suitably selected phase shift of up to 87 percentage points are reduced.
Figur 5 zeigt die Ergebnisse einer experimentellen Bestimmung der Druckschwankungen in einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Verbrennungssystem bei einer Frequenz von rund 100 Hz zu axialsymmetrischen thermoakustischen Schwingungen neigte. In Figur 5 sind die Druckschwankungen bei phasengekoppelter modulierter Eindüsung von Brennstoff bezogen auf die Druckschwankungen bei Eindüsung einer konstanten Brennstoffmenge (100 %) gezeigt. Die Eindüsung des Brennstoffs erfolgte durch schnelle Brennstoffventile der Firma MOOG.Figure 5 shows the results of an experimental determination the pressure fluctuations in an embodiment in which the Combustion system at a frequency of around 100 Hz axially symmetric thermoacoustic vibrations tended. In Figure 5 are the pressure fluctuations with phase-coupled modulated injection of fuel based on the Pressure fluctuations with a constant injection Amount of fuel (100%) shown. The fuel injection was done using fast fuel valves from MOOG.
In dem vorliegenden Beispiel wurden mit einem B&K wassergekühlten Mikrophon die akustischen Resonanzen der Kammer aufgenommen. Die Signale wurden vorverstärkt, bandpassgefiltert und phasengedreht. Die Phasendrehung wurde dabei systematisch zwischen 0° und 360° variiert. Das resultierende Signal bildete den Trigger für einen Signalgenerator, der die Brennstoffventile über eine Verstärkerstufe ansteuerte. Die Signale an die beiden Brennstoffventile wurden zusätzlich in jedem Fall um 180° relativ zueinander phasenverschoben, wodurch die Modulation der beiden Brennstoffströme mit einer Phasenverschiebung von 180° (ϕ = 180°) erfolgte. Figur 5 zeigt, daß die Druckamplituden bei geeignet gewählter relativer Phase um bis zu 55 Prozentpunkte reduziert werden.In the present example, a B&K water-cooled microphone the acoustic resonance of the chamber added. The signals were preamplified, bandpass filtered and phase-shifted. The phase shift was there varies systematically between 0 ° and 360 °. The resulting The signal formed the trigger for a signal generator that the Controlled fuel valves via an amplifier stage. The Signals to the two fuel valves were also in in each case out of phase by 180 ° relative to one another, whereby the modulation of the two fuel flows with one Phase shift of 180 ° (ϕ = 180 °) took place. Figure 5 shows that the pressure amplitudes with a suitably chosen relative phase can be reduced by up to 55 percentage points.
- 1, 21, 2
- TeilkörperPartial body
- 77
- VerbrennungsluftCombustion air
- 13, 1413, 14
- BrennstoffleitungenFuel lines
- 1515
- Öffnungenopenings
- 1616
- Brennstofffuel
- 2626
- HauptmittelachseMain central axis
- 30, 3130, 31
- BrennstoffventileFuel valves
- 3232
- Brennerburner
- 3434
- Kammerchamber
- 3636
- FilternFilter
- 3838
- PhasendrehenPhase shifting
- 4040
- VerstärkenReinforce
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Effective date: 20020514 |
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RAP1 | Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred) |
Owner name: ALSTOM (SWITZERLAND) LTD |
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GRAH | Despatch of communication of intention to grant a patent |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA |
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RTI1 | Title (correction) |
Free format text: METHOD FOR MINIMIZING THERMO-ACOUSTIC OSCILLATIONS IN GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBERS |
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RIN1 | Information on inventor provided before grant (corrected) |
Inventor name: WEISENSTEIN, WOLFGANG Inventor name: POLIFKE, WOLFGANG, DR. Inventor name: PASCHEREIT, CHRISTIAN OLIVER, DR. Inventor name: GUTMARK, EPHRAIM, PROF. |
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GRAS | Grant fee paid |
Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3 |
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GRAA | (expected) grant |
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AK | Designated contracting states |
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REG | Reference to a national code |
Ref country code: GB Ref legal event code: FG4D Free format text: NOT ENGLISH |
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REF | Corresponds to: |
Ref document number: 59810032 Country of ref document: DE Date of ref document: 20031204 Kind code of ref document: P |
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RAP2 | Party data changed (patent owner data changed or rights of a patent transferred) |
Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD |
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GBT | Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977) |
Effective date: 20040127 |
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Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT |
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26N | No opposition filed |
Effective date: 20040730 |
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PGFP | Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo] |
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GBPC | Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee |
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PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: DE Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20100401 |
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PG25 | Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo] |
Ref country code: GB Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES Effective date: 20090910 |